沁水盆地南部柿莊地區煤層氣U型水平井低產原因分析

王春東

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

沁水盆地南部柿莊地區煤層氣U型水平井低產原因分析

王春東

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

本文基于柿莊地區煤層氣水平井資料，從地質、工程、排采三個方面系統分析水平井低產原因，認為斷層溝通含水層、煤體結構破碎，鄰井壓裂溝通含水層、井眼軌跡上傾、排采速度過快、排采時效低為區內煤層氣水平井主要低產原因。通過水平井低產原因分析，為該區煤層氣勘探開發提供依據。

柿莊地區 煤儲層 水平井 低產原因

1 研究區地質概況

沁水盆地位于華北克拉通中部，東部以晉(城)-獲(鹿)大斷裂為界，太行山隆起相接、西部與霍山隆起相鄰、南部與中條隆起毗鄰。盆地整體為NNE向復向斜構造，構造類型簡單。柿莊地區位于沁水盆地南緣沁水復向斜東翼(見圖1)，整體為由東向西傾的單斜構造，構造走向NNE向為主，斷裂不甚發育，構造形態以低幅褶皺為主，為煤層氣的富集成藏提供了良好的條件。本區煤層主要發育于石炭、二疊系煤系地層中，其中二疊系山西組3號煤層區內發育穩定，鉆井揭示煤層厚度在4.34～9m之間，含夾矸1～3層，屬較簡單-簡單型煤層結構。煤層頂底板多為泥巖、泥質砂巖，垂向封蓋性良好，是研究區主要目的層。

2 水平井低產原因分析

煤層氣井產能受地質、工程等多方面因素影響，前人對煤層氣水平井產能影響因素的研究做了大量的工作，劉升貴等運用理論分析方法分析了臨界解吸壓力、含氣飽和度及滲透率對煤層氣水平井產能起到控制作用；張建國等從地質、鉆井工程及排采制度三個方面分析樊莊區塊的煤層氣多分支水平井產能影響因素，認為地質因素為煤層含氣量、煤層埋深和構造(斷層)，鉆井工程因素主要為煤層段總進尺及分支平面展布形態、分支產狀及鉆井過程中的儲層保護，排采制度方面為井筒的液柱高度、液面下降速度、井底流壓、套壓、產氣、產水量及粉煤灰情況。目前對于煤層氣U型水平井低產原因研究尚少，本文選取柿莊地區典型井組，從地質、工程、排采三個方面系統分析區內水平井的低產原因。

表1 柿莊地區典型水平井組基本信息表

圖1 研究區位置圖(據文獻，修改)

2.1 斷層溝通含水層

斷層通過改變煤層所處的地下水動力環境，影響著煤層氣的賦存狀態。斷層的存在使上下地層溝通起來，煤層氣含氣飽和度低，煤儲層與上下水層溝通起來，產水量大，產氣量低(見圖2)，在鉆遇斷層過程中，根據斷層情況，鉆井液會發生不同程度的裂縫性漏失，甚至井漏無返出。由于前期二維地震資料處理精度限制，斷層平面位置存在較大誤差，該井組排采井在鉆井過程中，鉆遇到一走向NNE向正斷層(見圖3)，多次發生井口不返漿及鉆具放空情況，采用水泥漿封堵措施，水泥漿全部漏失，最終報廢未成井。斷層與煤層頂底板含水層溝通，地層水以斷層為通道對煤層越流補給，造成該井組產水量大，液面下降困難。

圖2 斷層溝通含水層示意圖(據文獻，修改)

圖3 X1井組工程井井眼軌跡示意圖

2.2 煤體結構破碎

煤體結構是煤層氣井井壁穩定性的重要因素，煤體結構越破碎，井壁穩定性越差。排采過程中，隨著井底流壓的下降，地層有效應力增加，易引起井壁煤體破裂，隨井深增加，煤層破裂敏感性也增大。以X2井組為例，該井組排采井煤層埋深為1061m，相比鄰近潘莊區塊而言埋深較深，煤體結構結構相對復雜，完整性較差。鄰井取芯顯示該井區碎裂結構煤發育，井壁穩定性較差。當液面降至煤層頂板附近，在有效應力作用下，洞穴處煤層發生垮塌，造成水平井眼末端堵塞(見圖4)，阻礙流體流入井筒，造成該井停機。

圖4 X2井組井身結構示意圖

2.3 壓裂溝通含水層

水力壓裂是實現煤層氣井高產的重要手段。煤層氣井壓裂施工前對目的煤層附近砂巖含水情況認識不清，壓裂過程中未合理控制排量，裂縫溝通了煤層附近的含水層，含水層中的地層水對煤層形成越流補給，造成煤層氣井產水量大，液面下降困難。以X3井組為例，鄰井連井剖面顯示煤層上下發育多套可疑砂巖含水層，同時井下微地震監測數據顯示壓裂縫高100m，裂縫突破煤儲層，在煤層附近其它巖層擴展，隨著裂縫的延伸，裂縫溝通煤層上下可疑砂巖含水層(見圖5)，地層水以壓裂縫為通道對煤層持續補給，造成該井產水量大，達不到煤層臨界解吸壓力，氣體產出困難。

2.4 井眼軌跡上傾

鉆完井工程質量是影響煤層氣水平井產量的重要因素。在煤層氣水平井鉆井過程中，實鉆中追蹤煤層鉆進，往往形成U型井眼，在井眼軌跡低洼處形成地層水及煤粉滯留。鉆井過程中鉆具研磨和壓裂流體對人工裂縫煤壁的摩擦作用是煤粉的主要來源，在排采過程中，煤粉隨儲層流體一同產出至水平井段，由于停機等因素造成排采間斷，煤粉在井眼低洼處逐漸形成沉淀，增大了流體流動阻力。以X4井組為例，工程井井眼軌跡上傾，連通點與著陸點高差為22.87m(見圖6)，完井方式套管壓裂，鉆井及壓裂過程中產生的煤粉在井眼軌跡低洼處形成煤粉滯流區，阻礙了流體向井底流動，產氣效果差。

圖5 X3井組鄰井壓裂壓穿含水層示意圖

圖6 X4井組工程井井眼軌跡示意圖

2.5 排采速度過快

煤層氣排采見氣前的排采速率過快，近井地帶割理系統將會在煤層氣解吸前閉合，影響壓降漏斗的擴展，最終導致有效降壓范圍局限于井筒附近，氣井產氣量低，在單一排水階段對排采速率的控制尤為重要，動液面和井底流壓應緩慢穩定下降。從柿莊地區高產水平井液柱及產氣量變化散點圖看出前期液面下降平均速度控制在4m/d，液面平穩下降(見圖7)，該井最大產氣量達到15000m3/d，X5井組見氣前平均排采速率42m/d(見圖8)。排采速度過快，井底流壓迅速下降，近井地帶少量氣體解吸，同時引發儲層應力敏感，壓降漏斗擴展受限制，導致產量上升空間受限。

圖7 A1井組液柱與產氣量變化散點圖

圖8 X5井組液柱與產氣量變化散點圖

圖9 煤層氣水平井峰值產氣量與排采時效圖

2.6 排采時效低

排采的連續性對煤層氣井產能起著非常重要的作用，連續排采可以有效的溝通滲流通道，擴大壓降漏斗，盡早形成井間干擾，非連續排采對煤儲層孔隙度、滲透率等物性參數的穩定變化起到抑制作用，當停機后再次恢復排采時，被抑制的物性參數得不到及時的恢復，甚至是不可逆轉的傷害。柿莊地區內及鄰區高產水平井排采時效大都超過90%(見圖9)，排采時效與產氣量存在正相關關系，排采時效越高，產氣效果越好。X6井組由于設備故障、天氣等原因造成停機658天，排采時效50%，排采時效較低，致使儲層受到傷害，區域解吸面積不能有效擴大，造成低產。

3 結論及建議

(1)地質因素是影響產能的內在因素，柿莊地區煤層氣水平井井產能受煤體結構、斷裂因素影響，在水平井前期部署階段，應精細刻畫區域構造形態，優選地層產狀平緩，斷裂不發育，煤體結構完整的區域進行部署。

(2)工程因素是影響煤層氣井產能的外在因素。水平井井眼軌跡關系到煤層中流體能否順利產出，進而影響排水降壓效果，在水平井鉆井過程中加強地質導向跟蹤，保證井眼軌跡平滑，避免過大落差。鄰井壓裂前應了解煤層上部含水層發育情況，確定合理壓裂參數，避免壓穿含水層。為避免排采過程中洞穴處煤層坍塌，建議水平段管柱穿過洞穴處，然后鍛銑洞穴井眼處套管，以對洞穴處煤層形成支撐，防止煤層坍塌，形成穩定的流體流動通道。對井眼軌跡為上傾的水平井，可在工程井著陸點附近采用斜井泵進行排水降壓。

(3)排采的連續性及穩定性是是實現煤層氣井高產的前提，柿莊地區煤層氣井排采速度過快及排采時效低導致儲層滲流能力下降，對于此類水平井建議采用洗井、氮氣解堵、氮氣擴孔等工藝，疏通堵塞，重建滲透通道。

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(責任編輯 黃 嵐)

Analysis of Low Production of U-shaped Horizontal Coalbed Methane Wells in Shizhuang Area of Southern Qinshui Basin

WANG Chundong

(Jincheng Branch, China United Coalbed Methane Corporation, Shanxi 048000)

Based on the data of CBM horizontal wells in Shizhuang area, the paper analyzes the causes for the low production of horizontal wells from the aspects of geology, engineering and drainage. The main causes includes the fault communication aquifer, the broken coal structure, the fracturing communication aquifer, the borehole trajectory, the fast drainage rate and the low drainage efficiency in the area. Based on the cause analysis of the low production of horizontal wells, the paper provides the reference for exploration and development of CBM in this area.

Shizhuang area; coal reservoir; horizontal well; cause for low production

王春東，男，助理工程師，現從事煤層氣地質綜合分析工作。